【正文】 般性錯誤 有原則性錯誤 沒有 回答 答辯委員會評語及建議成績： 答辯委員會主任簽字： 年 月 日 學院領導小組綜合評定成績： 學院領導小組負 責人： 年 月 日 摘 要 永磁同步電 動 機 (Permanent mag synchronous Machine, PMSM)由于無需勵磁電流、體積輕便、運行效率很高， 在工業(yè)領域得到越來越廣泛的應用。 在傳統(tǒng)的永磁同步電動機運動 控制系統(tǒng)中，通常采用光電編碼器或旋轉變壓器來檢測轉子的位置 。因此， 無傳感器檢測永磁同步電動機轉子位置已逐 漸成為熱點。 介紹了永磁同步電動機轉子位置檢測的常用方法 分兩種：即 直接 方式檢測和間接方式檢測。 針對本課題主要做了以下研究工作： 在構建其數(shù)學模型的基礎上， 深入分析電機 定子電感的飽和效應， 得出 旋轉高頻 電壓 注入法能夠準確跟蹤轉子凸極位置，但其存在不能確定估算結果是 N 極還是 S 極位置的問題。 關鍵詞： 永磁同步電動機 ； 高頻電壓注入 ； 轉子位置檢測 ABSTRACT As the permanent mag synchronous motor without excitation current, volume light, high efficiency, more and more widely in the industrial fields of application. Only know the exact rotor position information, to achieve permanent mag synchronous motor rotor flux orientation motion control. In a traditional permanent mag synchronous motor motion control system, usually optical encoder or resolver to detect the rotor position. However, these sensors increase the system cost and reduced reliability of the system. Therefore, sensorless permanent mag synchronous motor rotor position detection has gradually bee a hot spot. This paper describes the development process of permanent mag synchronous motor, permanent mag materials development, and its structure, working principle and characteristics. Introduced a permanent mag synchronous motor rotor position detection of the mon methods in two ways: the direct detection and indirect detection methods. Direct methods can be divided into: rotating transformer, magic encoder method, optical encoder method。然 而，由于直流電動機具有電刷和換向器，成為限制其自身發(fā)展的主要缺陷，導致其生產成本高、制造工藝復雜、運行維護工作量大，加之機械換向困難，其單機容量、轉速及使用環(huán)境都受到限制。 現(xiàn)代電機調速技術是一門比較復雜的交叉技術，涉及的領域廣泛，包括電機、電力電子技術、控制理論、計算機技術與仿真等幾個方面。以微電子 技術為基礎、自動化技術和計算機技術為核心 (即綜合機電一體化技術 )發(fā)展起來的交流驅動系統(tǒng)，正在沖擊著整個傳統(tǒng)工業(yè)模式。 雖然目前感應電動機以其較低廉的價格、可靠的機械特性和優(yōu)越的高速運行范圍成為廣泛使用的驅動電機，但是基于感應電動機的驅動系統(tǒng)仍存在一些缺點。其次，感應電機的控制技術 較復雜，運算量大。 矢量控制是高性能的永磁電機伺服驅動系統(tǒng)中主要采用的控制方法。該控制方法首先應用在感應電機上，很快被移植到同步電機。目前，矢量控制技術在永磁同步電機中得到了廣泛地應用，其地 位超過了該控制方式在異步電機中的地位。這些機械傳感器和 僅能檢測速度信號的測速發(fā)電機的存在增加了控制系統(tǒng)的復雜性和成本，降低了系統(tǒng)的可靠性，同時也限制了永磁同步電動機在一些特殊場合的應用。它利用檢測出來的電機電壓、電流和電機的數(shù)學模型進行一些運算來確定電機轉子位置和速度，具有不改 造電機結構、省去昂貴的機械傳感器、降低維護費用和不怕粉塵與潮濕等優(yōu)點。 隨著對交流驅動系統(tǒng)研究的深入和對性能要求的不斷提高，涌現(xiàn)出了多種復雜而先進的算法，單片機 MC5 96 及多片 MCS96 系統(tǒng)的運算速度已不能滿足要求。 DSP 運算功能強大，專門處理以運算為主的不允許延遲的實時信號，它包含靈活可變的 1/O接口和片內 I/O管理，高速并行數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)化指令集，其先進的品質與性能可為電機控 制提供高 效的平臺。隨著 DSP 技術水平的 提高及價格不斷降低且性能不斷改進，使其廣泛應用于交流驅動領域成為可能。 綜上所述，由數(shù)字信號處理器技術和無機械傳感器技術相結合實現(xiàn)的永磁同步電機全數(shù)字化交流驅動系統(tǒng)己成為運動控制領域的一項重要研究內容 [1]。隨著高性能永磁材料的不斷開發(fā)和相繼問世，其優(yōu)異的性能又使永磁電機的開發(fā)和應用得到迅速發(fā)展。國內外利用稀土永磁的優(yōu)異磁性能研制開發(fā)高效永磁同步電動機已有 20 多年的歷史。 與電勵磁電機相比，永磁同步電動機具有節(jié)能高效等一系列優(yōu)點。 1983 年，英國著名學者 在墨西哥 IEEE 會議上首次提出異步起動永磁同步電動機的概念，并于次年在雜志上發(fā)表文章對異步起動永磁同步電動機的工作原理進行了簡要闡述。 1990 年，加拿大學者 等給出了較為全面的異步起動永磁同步電動機似穩(wěn)態(tài)分析的等值電路。 1994 年 ， Zhou ，指出以往的不計永磁作用、不計交直軸交叉耦合影響，單獨計算交直軸電樞磁場求取電機參數(shù)的方法是不合理的。 1994 年， Kurihara IEEE 上發(fā)表文章，提出采用場路耦合時步有限元法分析永磁同步電動機的穩(wěn)態(tài)運行性能，探討了由于諧波磁場存在而引起的電流諧波和轉矩波動問題，開辟了永磁同步電動 機新的研究方法。 從 80 年代起，國內學者對永磁電機也進行了大量的研究，沈陽工業(yè)大學特種電機研究所的唐任遠教授編著的《現(xiàn)代永磁電機理論與設計》一書中采用以等效磁路解析求解為主，結合磁場數(shù)值計算的方法對多種永磁電機的原理、結構、設計進行了研究，總結了近年來永磁電機的研究成果。 1986 年，上海電器 科學研究所開發(fā)化纖用外轉子永磁同步電動機，這是一種高速紡機，作變速卷繞頭傳動裝置的專用電機，調速范圍 15009000r/min 或150012720r/min，調速平穩(wěn)、性能穩(wěn)定、運行可靠。計算實心轉子永磁同步電動機的穩(wěn)態(tài)電抗參數(shù)，動態(tài)轉子參數(shù)和起動性能。提出了單位端部漏磁系數(shù)的新概念。計算分析了 U形永磁 體轉子磁路結構永磁同步電動機的隔磁措施對極間漏磁系數(shù)的影響。提出了油田抽油機專用稀土永磁同步電動機的設計方法和特點。 2020 年，王步來等發(fā)表稀土永磁同步電動機的工程設計研究的文章。 隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性和耐腐 蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進一步發(fā)展，加上永磁電機開發(fā)經驗的逐步成熟，除了大力推廣和應用已有的研究成果，還促進了永磁電機在國防、工農業(yè)生產和日常生活等方面的廣泛的應用，使稀土永磁電機的研究開發(fā)進入一個新階段。另一方面，促使永磁電機的設計理論、計算方法、結構工藝和控制技術等方面的研究工作出現(xiàn)了嶄新的局面 [2]。 19世紀 20 年代出現(xiàn)了世界上第一臺由永磁體勵磁的電機。 近年來，永磁材料開發(fā)得很快，現(xiàn)有鋁鎳鉆、鐵氧體和稀土永磁體三大類。釹鐵硼具有高的剩磁感應 強度、高的矯頑力和高的磁能積，是目前磁性能最好的永磁材料。由于鐵、硼的價格便宜，且不含鉆，因此釹鐵硼的價格比稀土鈷便宜得多。但是釹鐵硼也有缺點，就是溫度系數(shù)較高，居里溫度較低，容易氧化生銹而需涂覆處理。 2020 年又一種新型稀土永磁材料釹鐵氮也在我國實現(xiàn)了產業(yè)化并具有自主知識產權 。 整體 結構示意圖，如圖 21 所示。為減小磁場引起的渦流損耗和磁滯損耗，定子鐵心通常由 厚的硅鋼片疊壓而成，上面沖有均勻分布的槽，內嵌二相對稱繞組。定子繞組由圓銅線繞制而成，通常采用星形接法的雙層短距繞組以避免電動機繞組中產生環(huán)流，并削弱電動勢諧波，減小雜散損耗。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 6 頁 轉子結構 按照轉子是否有起動籠，可將轉子結構分為實心永磁轉子和籠型永磁轉子兩種。這種結構靠旋轉磁場在轉子鐵心感應的渦流產生的轉矩起動，無需起動繞組。 籠型永磁轉子是最常見的結構，轉子鐵心由 ，上面沖有均勻分布的槽，通常采用半閉口槽，如圖 23a)~d)所示。為增強集膚效應、提高起動轉矩，可采用圖 23c)所示的凸形槽和圖 23d)所示的刀形槽。圖 23e)、圖 23f)所示的閉口槽也有一定的應用，它可以簡化沖模制造、減小雜散損耗，且不影響運行時的功率因數(shù)，但轉子漏抗較大，對起動性能有一定影響。當轉子槽形尺寸足夠大時，也可采用圓底槽。 轉子籠型繞組有銅導條焊接式和鑄鋁式兩種。與焊接法相比，鑄鋁式具有工藝簡單、成本低的優(yōu)點，因此永磁同步電動機通常采用鑄鋁轉子。 永磁同步電動 機的轉子磁極結構型式 永磁同步電動機轉子磁極結構不同，則其運行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和適用場合也不同。 根據(jù)永磁體在轉子上放置的位置不同，分為表面式和內置式兩種轉子磁極結構。這種結構中，永磁體通常呈瓦片形，永磁體提供磁通的方向為徑向，且永磁體外表面與定子鐵心內圓之間一般僅套以起保護作用的非磁性圓筒，或在永磁磁極表面包以無緯玻璃絲帶作保護層。表面式轉子磁極結構的缺點是 :導條在轉子內部，產生的異步轉矩較小，僅適合于對起動性能要求不高的場合。 按永磁體磁化方向與轉子旋轉方向的相互關系，內置式轉子磁極結構可分為徑向式、切向式和混合式三種。如圖 25 所示為典型的徑向式轉子磁極結構，其永磁體軸向插入永磁體槽并通過隔磁磁橋限制漏磁通，結構簡單，運行可靠，轉子機械強度高，近年來得到廣泛應用，其中圖 25a)所示徑向式結構為美國的專利，圖 25b)所示的V形結構最早見于英國某產品中，該結構有效的利用了轉子空間。圖26 所示為兩種典型的切向式 轉 子磁極結構，其中圖 a)所示切向結構永磁體內側采用非磁性套筒或非磁性轉軸；圖 b)所示切向 結構利用空氣隙隔磁，省去了圖 a)中的隔磁套，轉子沖片具有整體性，當勵磁不足時還可在隔磁槽中放置永磁體來增加勵磁。 a) b) 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 10 頁 c) d) 1— 轉軸； 2— 永磁體槽； 3— 永磁體； 4— 轉子導條 圖 27 內置混合式轉子磁極結構 如圖 27 所示為四種典型的混合式轉子磁極結構，其中圖 a)所示結構是由德國西門子公司發(fā)明的，需采用非磁性轉軸或采用隔磁銅套，主要用于剩磁密度較低的鐵氧體永磁同步電動機，隨著永磁材料的高速發(fā)展，這種結構已失去其優(yōu)勢；圖 b)所示結構近年來用得較多，也采用隔磁磁橋隔磁，這種結構的徑向部分永磁體磁化方向長度約是切向部分永磁體磁化方向長度的一半；圖 c)和 d)是由圖 25 徑向 式結構衍生來的兩種混合式轉子磁極結構，其永磁體的徑向部分與切向部分的磁化方向長度相等，也采取隔磁磁橋隔磁。 永磁同步電機的特點 在上面的章節(jié)中， 可以看到各種永磁同步電機的轉子結構差異很大，但是由于永磁材料的使用，永磁同步電機具有以下幾種特點 ： 1. 電機轉速與電源頻率始終保持準確的同步關系，控制頻率就能控制轉速 ； 2. 永磁同步電機具有較硬的機械 特性，對于因負載變化而引起的電機轉矩的擾動具有較強的承受能力 ； 3. 永磁同步電機轉子上有永久磁鐵無需勵磁，因此電機可以在很低的轉速下保持同步運行，調速范圍寬。永磁同步電機比異步電機對電壓和轉矩擾動具有更強的承受能力。而永磁同步電機的 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 11 頁 負載轉矩發(fā)生變化時，僅需要電機的功角適當改變， 而轉速維持在原來的同步轉速不變，則轉動部分的轉動慣量不會影響電機轉矩的快速響應，瞬間最大轉矩可達到